Dans cette thèse, je présente ma contribution à l'observation d'un nouveau boson au LHC avec le détecteur ATLAS dans le canal de désintégration en deux photons. Ce boson est compatible avec le boson scalaire du Modèle Standard longtemps recherché et a une masse de 126.0 +/-0.4 (stat) +/-0.4 (sys) GeV obtenue en combinant les canaux gamma gamma et ZZ. Les données utilisées sont celles collectées par l'expérience ATLAS durant l'année 2011 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et durant les trois premiers mois du run en 2012 avec une énergie de centre de masse de 8 TeV. La luminosité totale correspondante est de ~10 fb-1. L'excès observé a une significance locale de 4.5 sigma dans le canal gamma gamma et de 5.9 sigma en combinant tous les canaux analysés. De même, diverses contributions aux analyses des données, dans le canal H en gamma gamma, depuis l'année 2009 jusqu'en 2012 sont aussi montrées.

In photosynthesis, sunlight is converted into chemical energy that is stored mainly as carbohydrates and supplies basically all life on Earth with energy. In order to efficiently absorb the light energy, plants have developed the outer light harvesting antenna, which is composed of ten different protein subunits (LHC) that bind chlorophyll a and b as well as different carotenoids. In addition to the light harvesting function, the antenna has the capacity to dissipate excess energy as heat (feedback de-excitation or qE), which is crucial to avoid oxidative damage under conditions of high excitation pressure. Another regulatory function in the antenna is the state transitions in which the distribution of the trimeric LHC II between photosystem I (PS I) and II is controlled. The same ten antenna proteins are conserved in all higher plants and based on evolutionary arguments this has led to the suggestion that each protein has a specific function. I have investigated the functions of individual antenna proteins of PS II (Lhcb proteins) by antisense inhibition in the model plant Arabidopsis thaliana. Four antisense lines were obtained, in which the target proteins were reduced, in some cases beyond detection level, in other cases small amounts remained. The results show that CP29 has a unique function as organising the antenna. CP26 can form trimers that substitute for Lhcb1 and Lhcb2 in the antenna structure, but the trimers that accumulate as a response to the lack of Lhcb1 and Lhcb2 cannot take over the LHC II function in state transitions. It has been argued that LHC II is essential for grana stacking, but antisense plants without Lhcb1 and Lhcb2 do form grana. Furthermore, LHC II is necessary to maintain growth rates in very low light. Numerous biochemical evidences have suggested that CP29 and/or CP26 were crucial for feedback de-excitation. Analysis of two antisense lines each lacking one of these proteins clearly shows that there is no direct involvement of either CP29 or CP26 in this process. Investigation of the other antisense lines shows that no Lhcb protein is indispensable for qE. A model for feedback de-excitation is presented in which PsbS plays a major role. The positions of the minor antenna proteins in the PS II supercomplex were established by comparisons of transmission electron micrographs of supercomplexes from the wild type and antisense plants. A fitness experiment was conducted where the antisense plants were grown in the field and seed production was used to estimate the fitness of the different genotypes. Based on the results from this experiment it is concluded that each Lhcb protein is important, because all antisense lines show reduced fitness in the field.

This thesis is based on work done in two different experimental projects. The first project, the Tau RICH, is a previously proposed τ-neutrino appearance experiment for the CERN neutrino beam at the Gran Sasso laboratory in Italy. The proposed experimental concept is based on the use of focusing RICH detectors with liquid radiator (C6F14). Simulations made with a Geant4 code show that in the proposed experimental set-up, Cherenkov light from delta electrons will constitute a severe background that in practice would render the experiment unfeasible. The second project, ATLAS, is a general purpose detector at the CERN 14 TeV proton-proton collider LHC which will start operation in 2007. To make the reconstruction and selection of the events in ATLAS more accurate, complete and up-to-date information on the interaction of the produced particles with the detector is needed. A service program code, the Material Integration Service (MIS), has been developed which makes use of the detector descriptions already available in a Geant4 code and which uses a novel algorithm, based on line integrals evaluated within small volume elements that build up the detector. This code is demonstrated to constitute a practically useful tool of satisfactory performance and accuracy. The charged Higgs boson production in the gluon-bottom quark mode, gb → tH±, followed by charged Higgs decays into a chargino and a neutralino, is studied for a specific choice of values for the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) parameters. It is shown, using a Monte Carlo code to simulate the ATLAS detector and the assumed MSSM physics model, that for an integrated luminosity of 300 fb-1, in the intermediate region 4 < tanβ < 10 where H± decays to SM particles cannot be used for H± discovery, charged Higgs decays to non-SM particles can be used for Higgs discovery at the 5 σ significance level.

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.

With the long awaited start-up of the LHC, TeV scale physics is now in reach of the particles physicists to explore. There are many questions about the nature to be answered, and many more theories to be tested trying to answer them. The ADD model of extra dimensions is one such model, written to address the large mass hi- erarchy between the two fundamental energy scales in nature, the electroweak and the Planck scales. ADD model predicts stronger gravity at sub-millimeter distance scales, which would then lead to an interesting physical object to be produced at proton collusions at the LHC: Tiny quantum black holes. In this thesis we study the discovery potential of CMS for quantum black hole events for proton-proton collusions at sqrt(s) = 14 TeV. Our study details the trigger response of CMS, various criteria and methods for background rejection, affect of experimental uncertainties on measurements, for different model parameter values.

Prompt photons are produced primarily by quark-gluon compton scattering and quark-anti-quark annihilation mechanisms that their measurements are driven by several motivations at hadron colliders. Measurement of prompt photons can be used for probing perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD). Prompt photons are produced in the final states of important decays providing evidence for low mass Higgs boson and new physics searches. Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the multi-purpose experiments conducted at the Large Hadron Collider (LHC) to study the Standard Model (SM) physics including prompt photons and new theories in proton-proton collisions. In this thesis, photon reconstruction is discussed along with the photon identification methods in the CMS experiment. Photon efficiency measurements are presented as an important ingredient for photon+jet cross section measurement. Photon High Level Trigger (HLT) efficiencies, reconstruction (RECO) efficiencies, and identification (ID) efficiencies are presented that are measured from collision data recorded by the CMS detector and Monte Carlo simulation data. Efficiency corrected differential photon+jet cross section measurement results are presented in this study. The collision data used in this thesis corresponds to 2.2 /fb integrated luminosity collected by the CMS detector at a center-of-mass energy of 7 TeV from 2011 LHC proton-proton collision running.

La QCD sur réseau prédit la transition d'une phase hadronique vers le Plasma de Quarks et Gluons (PQG) pour des températures au-dessus de 10^{13} K. Pour le recréer en laboratoire, des collisions d'ions lourds ont été proposées. Dans cette optique, le LHC produira des collisions Pb-Pb à 5.5 TeV/u, qui seront étudiées notamment auprès de l'expérience ALICE. En particulier, son spectromètre à muons permettra d'examiner les sondes muoniques (quarkonia, beauté ouverte, ...). Les performances attendues de ce dispositif pour mesurer des muons et des dimuons sont ici discutées. Des techniques de factorisation sont employées pour différencier les contributions à l'efficacité globale. Les résultats indiquent que le détecteur devrait être capable de mesurer des muons jusqu'à pt~100 GeV/c avec une résolution proche de 10%. On montre que la production des bosons faibles pourra être mesurée pour la première fois dans des collisions d'ions lourds. Les distributions de muons simples en pt et de la masse invariante des dimuons sonderont le W et le Z. Comme les muons issus des décroissances de quarks b et c peupleront principalement le domaine intermédiare en pt de 5-25 GeV/c, les calculs de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu indiquent que le spectre devrait être supprimé d'un facteur 2-4 dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV. Néanmoins, pour pt > 35 GeV/c la production des bosons faibles predomine, et aucune suppression n'est attendue. Des estimations indiquent que le point de croisement entre des muons issus de b et de W diminuera en pt de 5 à 7 GeV/c dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV.

Cette thèse s'articule autour de la compréhension du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible dans l'expérience ATLAS au LHC, à travers deux thématiques complémentaires : la recherche du boson de Higgs dans le canal H->gamma gamma et une recherche de dimensions supplémentaires dans le secteur des gluons. Par ailleurs, les tests de l'électronique du calorimètre électromagnétique ont permis de valider la conception des cartes contrôleur et maître SPAC, dont la responsabilité était liée au LPNHE.<br /><br />Pour la recherche du Higgs dans le canal H->gamma gamma, l'utilisation de données de simulation complète du détecteur a permis de calculer de façon précise la résolution en masse du système diphotons. Concernant le bruit de fond de jets, une étude a été faite avec des variables discriminantes afin d'obtenir, pour une efficacité de 80 % d'identification des photons, un pouvoir de réjection des jets de l'ordre de 7000. Grâce aux progrès théoriques récents, le signal et le bruit de fond ont pu être étudiés à un ordre supérieur du développement perturbatif, ce qui augmente les sections efficaces. Le potentiel de découverte profite de cette augmentation des sections efficaces et augmente de 50 % par rapport à la même analyse faite au niveau fondamental (LO). Enfin, une nouvelle analyse utilisant une méthode de maximum de vraisemblance permet d'améliorer de l'ordre de 40 % le potentiel de découverte par rapport à notre propre analyse classique. Finalement, le boson de Higgs peut maintenant être découvert dans ce canal pour une luminosité intégrée de 10 fb^(-1) pour un Higgs à 120 GeV/c^2<br /><br />Par ailleurs, le problème de naturalité de la masse du Higgs peut être résolu par l'introduction de dimensions supplémentaires dans lesquelles les gluons peuvent se propager. Nous avons montré qu'il était possible de découvrir l'existence de dimensions supplémentaires jusqu'à une échelle de compactification de 15 TeV.

Le détecteur ATLAS est un expérience généraliste placé auprès du collisionneur proton-proton circulaire de 27 Km de circonférence, LHC. Le LHC est conçu pour produire des collisions avec une énergie nominale au centre de masse de l'ordre de 14 TeV et une luminosité instantané de 1034cm-2s-1.Il donne accès à des processus à l'échelle du TeV. En 2010 et 2011 le LHC a fournit des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV donnant la possibilité d'enregistrer plus de 5 fb-1 de données. En 2012 le LHC a ensuite fournit des collisions avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La présente thèse traite de la mesure de la section efficace de production des paires de quarks top anti-top dans le mode de désintégration complètement hadronique utilisant les données enregistrées par l'expérience ATLAS en 2011 avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 4.7 fb-1. Le canal complètement hadronique a l'avantage d'être caractérisé par un rapport d'embranchement de 46%. Il souffre par contre d'un bruit de fond multi-jet QCD élevé. Le principal bruit de fond pour la production des paires des quark top-antitop est dû aux processus QCD avec au mois six de quarks/gluons dans l'état final. Ce bruit de fond n'est malheureusement pas bien connu et donc difficile à reproduire par simulation Monté-Carlo. Il est estimé à partir des données. La section efficace ainsi mesuré est 168±12 (stat.) +60/-57(syst.) ± 7 (lum.) pb. La deuxième analyse présentée dans la cette thèse se focalise sur la recherche du boson du Higgs produit en association avec une paire de quark top, où le boson de Higgs se désintégré en paires de quarks b, et le système top-anti-top se désintégrant dans le canal complètement hadronique. L'analyse est effectuée sur les mémés données utilisées par la mesure de la section efficace top-anti top. Deux bruits de fond principaux peuvent être distingués: la production des paires de quarks top avec la présence des jets supplémentaires et la production QCD. Le premier bruit de fond est estimé en utilisant le modelé Monté-Carlo différenciant la production de jets légers des jets lourds. Le deuxième bruit de fond est estimé avec les données. Le but de cette étude est de montrer le potentiel du canal complètement hadronique en regardant le signal sur la racine du bruit du fond dans les régions de signal et en faisant une comparaison avec les résultats publics présentés par l'ATLAS dans le canal semileptonic.

La production de photons de grande impulsion transverse lors des collisions proton-proton (p-p), est décrite par la chromodynamique quantique perturbative (pQCD). Parmi ces photons, ceux issus directement d'un processus partonique énergétique (appelés photons directs) sont particulièrement intéressants car leur mesure permet de tester précisément les prédictions de la pQCD et offre la possibilité de mieux contraindre les fonctions de structure du proton. Ce travail de thèse a pour objectif l'étude et la mesure des photons directs produits dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE. Le calorimètre électromagnétique d'ALICE (EMCal), est utilisé pour réaliser cette mesure qui s'appuie notamment sur l'utilisation d'une procédure d'isolement permettant de réduire le bruit de fond provenant des autres modes de production (fragmentation, décroissance). Les aspects relatifs à la qualité des données dans EMCal, à l'identification des photons, mais aussi ceux liés à la correction du spectre ou encore à sa normalisation sont mis en avant. Finalement, la première section efficace de photons isolés mesurée dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE est présentée et comparée avec les prédictions théoriques avant d'être mise en regard avec les résultats issus des autres grandes expériences du LHC.